최근 전기자동차에 영구자석(PM) 동기모터의 적용이 급증하고 있다. 이는 주로 PMSM이 기존 AC 유도 모터보다 더 높은 속도를 달성할 수 있기 때문입니다. 그러나 PMSM의 고속 작동은 전자기 설계, 열 관리 및 기계 구조에 더 많은 문제를 야기합니다. PMSM의 효율과 전력 밀도를 향상시키기 위해 다양한 기술이 개발되었습니다. 여기에는 철심 손실 최적화, 철심 내 다양한 위치의 자기 유도 강도 및 고조파 성분 개선, 토로이달 권선 구조 채택으로 구리 소모량 감소, 끝 권선 권수 최소화 등이 포함됩니다.
고속 PMSM 개발에서 가장 중요한 과제는 회전자 철심 손실을 줄이는 것입니다. 이를 위해 고정자 슬롯 개구부 폭 조정, 폴-슬롯 맞춤 최적화, 경사 슬롯 및 자석 슬롯 웨지를 사용하는 등 다양한 방법이 제안되었습니다[1]. 그러나 이러한 방법은 회전자의 와전류 손실을 약화시킬 수 있을 뿐 완전히 줄일 수는 없습니다. 또한 복잡하고 값비싼 제어 시스템이 필요합니다.
또 다른 중요한 문제는 고속에서 PMSM의 안정성을 향상시키는 것입니다. 이를 위해서는 비접촉 베어링을 사용하는 것이 효과적인 솔루션입니다. 이 중에서 에어베어링과 자기부상베어링이 가장 유망하다. 볼 베어링과 비교하여 이러한 비접촉 베어링은 훨씬 낮은 질량으로 로터를 지지할 수 있으며 더 높은 속도에서 작동할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 그 비용은 여전히 엄청납니다.
PMSM의 회전자 철손을 더욱 줄이려면 영구 자석의 설치 매개변수를 최적화해야 합니다. 이는 자기 회로의 와전류 분포를 분석하고 최적화하는 새로운 방법을 적용하여 달성할 수 있습니다. 이 방법은 유한 요소 모델과 단순화된 물리적 모델의 조합을 사용합니다. 결과 모델은 다양한 조건에서 이중층 V형 HSPMM의 온도 장을 계산하는 데 적합합니다.
HSPMM의 작동 온도를 낮추기 위해 회전자와 고정자 구조를 변경하거나 냉각 모드를 변경하는 데 중점을 둔 이전 연구와 달리 이 방법은 구조적 변경이 필요하지 않습니다. 또한 영구 자석의 설치 매개 변수를 수정하여 구리 및 철 손실을 줄이는 데 중점을 둡니다. 또한 HSPMM의 전자기 모델과 ETCM의 전자기 모델을 비교하여 이 방법의 결과를 검증했습니다. 그림과 같이 도 7에서 볼 수 있듯이 FEA와 MEC 간의 수렴 정확도는 0.95 이상이며 이는 이 방법이 HSPMM의 전자기 계산 프로세스에서 많은 시간을 절약할 수 있음을 의미합니다. 또한, 테스트 모델의 실험 결과를 통해서도 수렴 정확도를 검증하였다. 이러한 결과는 본 논문에서 제안한 ETCM 방법과 온도장 최적화 방법이 신뢰성 있고 효율적이라는 것을 나타낸다.
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